设备管理
管理对象:I/O设备和相应的设备控制器（I/O系统组成）
目的:
- 完成用户提出的I/O请求，
- 提高I/O速率、改善I/O设备的利用率。
- 为更高层进程方便使用设备提供手段
I/O系统的组成
- 需要用于输入、输出和存储信息的设备；
- 需要相应的设备控制器；
- 控制器与CPU连接的高速总线；
- 有的大中型计算机系统，配置I/O通道；
设备控制器
设备并不直接与CPU通信,计算机中的一个实体——“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
控制器是CPU与I/O设备之间的接口，作为中间人接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。
①基本功能
1.接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）
2.标识和报告设备的状态（状态寄存器）
3.数据交换（数据寄存器）
4.地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）
5.数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）
6.差错控制
②组成
1.设备控制器与处理机的接口
2.设备控制器与设备的接口
3.I/O逻辑
I/O逻辑:
通过一组控制线与处理机交互 CPU要启动一个设备时， 将启动命令发送给控制器； 同时通过地址线把地址发送给控制器 控制器的I/O逻辑对收到的地址和命令进行译码，再根据所译出的命令选择设备进行控制。
③处理机与设备控制器间
实现CPU与设备控制器之间的通信。
共有三类信号线：
数据线/ 地址线/ 控制线
I/O通道
I/O通道设备的引入:
设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预 （如承担了选择设备，数据转换、缓冲等功能） 但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。 在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构：“通道”.
设置通道后 CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。 通道形成通道程序，执行I/O操作，完成后向CPU发中断信号。
主要目的： 建立更独立的I/O操作，解放CPU。 数据传送的独立 I/0操作的组织、管理及结束处理也尽量独立。
实际上I/O通道是一种特殊的处理机： 指令类型单一，只用于I/O操作； 通道没有内存，它与CPU共享内存
通道类型:根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为以下三种类型：
字节多路通道/ 数组选择通道/ 数组多路通道
“瓶颈”问题:
由于通道价格昂贵，致使数量较少，使它成为I/O系统的瓶颈，进而造成系统吞吐量的下降。
解决“瓶颈”问题最有效的办法便是增加设备到主机间的通路而不增加通道
I/O系统的主要功能：
1）隐藏物理设备细节，方便用户 用户使用抽象的I/O命令即可
2）实现设备无关性，方便用户 用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备，同时也提高了OS的可移植性和易适应性。
3）提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理
4）对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理
5) 确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等
6) 错误处理
I/O/系统的层次结构和模型
层次结构：系统中的设备管理模块分为若干个层次(如下)
|用户层软件 |
|设备独立性软件 |
|设备驱动程序 |
|中断处理程序 |
|硬件 |
①用户层软件:实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。
②设备独立软件:用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
③设备驱动程序:与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。
④中断处理程序:用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。
⑤硬件:执行I/O操作
层间操作：下层为上层提供服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽功能实现的细节。
I/O系统接口
在I/O系统与高层接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干个接口。主要包括：
①块设备接口 :
块设备：
数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。基本特征是传输速率较高、可寻址。磁盘设备的I/O常采用DMA方式。
特点 ：
隐藏了磁盘的二维结构：块设备接口隐藏了磁盘地址是二维结构的情况：每个扇区的地址需要用磁道号和扇区号来表示。
将抽象命令映射为低层操作：块设备接口将上层发来的抽象命令，映射为设备能识别的较低层具体操作。
②流设备接口
字符设备： 数据的存取和传输是以字符为单位的设备。如键盘、打印机等。基本特征是传输速率较低、不可寻址，常采用中断驱动方式。
get和put操作： 由于字符设备是不可寻址的，因而对它只能采取顺序存取方式。（用户程序）获取或输出字符的方法是采用get和put操作。
in-control指令： 因字符设备的类型非常多，且差异甚大，系统以统一的方式提供了一种通用的in-control指令来处理它们（包含了许多参数，每个参数表示一个与具体设备相关的特定功能）。
③网络通信接口
通过某种方式，把计算机连接到网络上。
操作系统必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使得计算机能通过网络与网络上的其它计算机进行通信，或上网浏览。
I/O系统的软件层次:
1. 中断处理过程 (最底层)
2. I/O控制方式
3. 缓冲管理、设备分配、设备处理
中断机构和中断处理程序:
中断在操作系统中有特殊而重要的地位，没有它就不可能实现多道程序。 中断是I/O系统最低的一层，也是设备管理的基础。
1.中断简介
⑴中断和陷入
中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应，中断是由外部设备引起的，又称外中断。
陷入：由CPU内部事件所引起的中断，通常把这类中断称为内中断或陷入（trap）。
中断和陷入的主要区别：是信号的来源。
⑵中断向量表
中断向量表：为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址，放在中断向量表的一个表项中，并为每一个设备的中断请求，规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项中。
⑶对多中断源的处理方式
①屏蔽（禁止）中断：
所有中断都将按顺序依次处理。 当处理机正在处理一个中断时，将屏蔽掉所有新到的中断，让它们等待，直到处理机已完成本次中断的处理后，处理机再去检查并处理。 优点是简单，但不能用于对实时性要求较高的中断请求。
②嵌套中断：
中断优先级：系统根据不同中断信号源，对服务要求的紧急程度的不同，它们分别规定不同的优先级。 当同时有多个不同优先级的中断请求时，CPU优先响应最高优先级的中断请求； 高优先级的中断请求，可以抢占正在运行低优先级中断的处理机，该方式类似于基于优先级的抢占式进程调度。
2.中断处理程序
主要工作 ①进行进程上下文的切换 ②对处理中断信号源进行测试 ③读取设备状态 ④修改进程状态
中断处理流程:
测定是否有未响应的中断信号
保护被中断进程的CPU环境
转入相应的设备处理程序
中断处理
恢复CPU的现场
设备驱动程序
设备驱动程序是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务：
（1）接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read、write等命令；
（2）再把它转化为具体要求，发送给设备控制器，启动设备去执行。
（3）反方向，它也将由设备控制器发来的信号，传送给上层软件。
-
驱动程序的功能
(1)接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转换为与设备相关的低层操作序列；
(2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式；
(3)发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；
(4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。 -
设备驱动程序的特点
(1)驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序。
(2)驱动程序，与设备控制器和I/O设备的硬件特性，紧密相关。
(3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。
(4)由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言编写。
(5)驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。 -
设备处理方式分类
(1)为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作。这种方式比较适合于较大的系统；
(2)在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。也可以设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中的输入或输出操作；
(3)不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用。这种方式目前用得较多。 -
驱动程序处理过程:
它是I/O设备与控制器间的通信转换程序;
了解抽象命令，了解控制器内部的寄存器结构;
与硬件密切相关，每类设备配备一种驱动程序
功能：接受解释指令（有通道的系统，自动通道程序）、相关判断、发送设备命令、响应中断
特点：控制方式不同程序不同，部分固化进硬件，代码可重入。
I/O控制方式
-
程序I/O方式
向控制器发送一条I/O指令；
启动输入设备输入数据；
把状态寄存器busy=1。 然后不断测试标志。
为1：表示输入机尚未输完一个字，CPU继续对该标志测试；
直到为0：数据已输入控制器数据寄存器中, CPU取控制器中的数据送入内存单元，完成一个字的I/O 。
高速CPU空闲等待低速I/O设备，致使CPU极大浪费。 -
中断驱动I/O方式
CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令 然后立即返回继续执行任务。 设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。 这时CPU与I/O设备并行操作。
中断方式比程序I/O方式更有效 但仍以字（节）为单位进行I/O，每当完成一个字（节），控制器便要请求一次中断。 CPU虽然可与I/O并行，但效率不高，存在频繁的中断干扰。
改进： CPU下指令通知控制器完成一块数据的I/O，控制器完成后才发中断，而不是每个字节都要向CPU发中断； 多字节传输入内存过程不需要CPU搬运，由控制器控制完成（所以称直接存储器访问）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入 -
直接存储器访问DMA 方式
该方式的特点是：
1）数据传输的基本单位是数据块；
2）所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者直接从内存进设备；不需要CPU操作。 CPU干预进一步减少：
3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。
可见DMA方式又是成百倍的减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。
②DMA控制器的组成
DMA控制器由三部分组成：
主机与DMA控制器的接口；
DMA控制器与块设备的接口；
I/O控制逻辑
DMA控制器中的寄存器
为实现主机与控制器之间块数据的直接交换，必须设置如下四类寄存器：
1）数据寄存器DR：暂存设备到内存或从内存到设备的数据。
2）内存地址寄存器MAR：它存放把数据从设备传送到内存的起始的目标地址或内存原地址。
3）数据计数器DC：存放本次CPU要读或写的字（节）数。
4）命令/状态寄存器CR：用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制和状态信息。
③DMA工作过程:
CPU先向磁盘控制器发送一条读命令。
该命令被送到命令寄存器CR中。
同时发送数据读入到内存的起始地址，该地址被送入MAR中；
要读数据的字数则送入数据计数器DC中；
将磁盘中的数据原地址直接送入DMA控制器的I/O控制逻辑上，按设备状态启动磁头到相应位置。
启动DMA控制器控制逻辑开始进行数据传送：
{
DMA控制器读入一个数据到数据寄存器DR中，然后传到内存MAR地址中；
接着MAR+1,DC-1，判断DC是否为0,如否，继续，反之控制器发中断请求，传送完毕。
} -
I/O通道控制方式
通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使主机（CPU和内存）与I/O操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理实现输入/输出操作，提供一种传送通道，所以将这种部件称作“通道”。
通道通过执行通道程序，与设备控制器共同实现对I/O设备的控制。
通道程序由一系列通道指令构成。
CPU指令→设备驱动程序解读→通道程序→通道
通道指令一般包含下列信息：
操作码:规定指令所执行的操作。
内存地址: 计数。表示本指令所要操作的字节数。
通道程序结束位:用以表示程序是否结束。
记录结束标志:表示该指令是否与下条指令有关。
用户层的I/O软件
设备分配中的虚拟技术 —— SPOOLing技术
■虚拟性是OS的四大特征之一。
■多道程序技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU，实现多个用户共享一台主机；
假脱机技术
多道程序技术，专门利用程序模拟脱机I/O的外围机，完成设备I/O操作。
■称这种联机情况下实现的同时外围操作为SPOOLing 技术（称为假脱机操作）
■一般进程对独占设备的需求被假脱机模拟到磁盘上。所以实现设备虚拟，多道是前提，还需高速、大容量、可随机存取的外存支持。
SPOOLing系统的组成:
（1）输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。
（2）输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。
（3）输入进程和输出进程。 用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能，把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上； 用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能，把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。
SPOOLing系统的特点:
（1）提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。
（2）将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备，而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。
（3）最终，实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一台独占设备。
缓冲区管理
------进程中“CPU计算速度”和“设备I/O速度”仍存在不匹配的矛盾。
解决：CPU进行当前计算时，设备进行后续数据的输入（——缓冲区）。
缓冲管理
■I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率；
■缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O设备的并行性，提高利用率。
■现代OS中，几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时，都用了缓冲区。
■引入缓冲区的主要原因： 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率 最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。
■使用缓冲区的方式： 1）单缓冲、多缓冲 2）循环缓冲 3）缓冲池（设备速度差距越大，缓冲区容量越大）
1）单缓冲与多缓冲
单缓冲
每当用户进程发出一I/O请求时，OS在主存中为之分配一个缓冲区。 CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。
双缓冲
■进一步加快输入和输出速度，提高设备利用率制，也称缓冲对换（Buffer Swapping）
■输入：数据送入第一缓冲区，装满后转向第二缓冲区。
■读出：OS从第一缓冲区中移出数据，送入用户进程，再由CPU对数据进行计算。
多缓冲引入
I/O与CPU速度基本相匹配，采用双缓冲能获得较好的效果，基本上能并行操作。 但，若两者的速度相差甚远，双缓冲的效果仍不够理想；
为进一步协调速度差，可增加缓冲区数量，同时进行一定的多缓冲管理入和出的同步。
引入多缓冲机制。组织形式：循环缓冲、缓冲池。
多缓冲:
- 循环缓冲
①循环缓冲的组成
■多个缓冲区。大小相同，三种类型：
(1) 预备装输入数据的空缓冲区R
(2) 装满数据的缓冲区G
(3) 计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
■多个指针。
(1) 指示正在使用的缓冲区C的指针Current
(2) 指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg
(3) 指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti
②循环缓冲区的使用
计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。
主要就是利用指针，操作上述不同类型缓冲区
一个时段只能用于输入或输出，不能同时双向通信。
③进程同步
两个进程的控制：输入进程和计算进程并行执行，如何控制相应的两个指针不断顺时针方向移动，这样就可能出现两种情况：
1）Nexti赶上Nextg。意味着输入速度大于计算速度，缓冲区满，只能阻塞输入进程等计算进程取，此情况称为系统受计算限制。
2）Nextg赶上Nexti。意味着输入速度低于计算速度，缓冲区空，只能阻塞计算进程等输入进程放，此情况称为系统受I/O限制。 - 缓冲池
循环缓冲的问题:
■不能同时双向通讯
■利用率不高。缓冲区是专用缓冲。（每个进程都要维护自己的一个循环缓冲区），使用有剩余时也不给其他进程使用，消耗大量内存空间。
■系统并发程序很多时，许多这样的循环缓冲需要管理，比较复杂。
为提高缓冲区的利用率，目前广泛流行缓冲池，在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。
系统将多个缓冲区形成一个缓冲池。 池中缓冲区为系统中所有的进程共享使用（如UNIX系统在块设备管理中设置了一个15个缓冲区组成的缓冲池）
组织形式：队列及队列指针
①缓冲池的组成
对于既可输入又可输出的公用缓冲池，至少应含有下列三种类型的缓冲区：
■空缓冲区；
■装满输入数据的缓冲区；
■装满输出数据的缓冲区；
为方便管理，将上述类型相同的缓冲区连成队列
■空缓冲区队列（所有进程都可用）
■输入队列（n个进程有各自的队列）
■输出队列（n个进程有各自的队列）
②缓冲区的工作方式
四种工作方式：
1）收容输入：输入数据填入一空缓冲区
2）提取输入：从输入缓冲队列中取出一数据区的内容
3）收容输出：输出数据填入一空缓冲区
4）提取输出：从输出缓冲队列中取一数据区的内容
八，磁盘存储器的性能和调度
1）磁盘性能简述
首先与格式有关 数据的组织和格式
■盘片、面、磁道、扇区
■为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。
与速度有关
■磁盘类型 固定磁头（每道一磁头） 移动磁头（每盘一磁头）
■访问时间的计算 寻道时间（到磁道） 旋转延迟（到扇区） 传输时间
2）磁盘调度方法
对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度，使对磁盘的平均访问时间最小。
目标：使平均寻道时间最少。
算法：
①FCFS
多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。 磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。
②最短寻道时间优先SSTF
选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求
使每次磁头移动时间最少。 不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。 对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。
③扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。 后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。
如当前为100，后续要求55，86，95，180，165，105
先由内向外：选最近的105执行，再判断剩余的，选165，180。
再由外向内：95，86，55
◼循环扫描CSCAN
SCAN的错过问题： 容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。
修改：将SCAN规定的移动方向改为“单向移动” 由里向外后，再由里向外。
◼N-Step-SCAN
将磁盘请求队列分成长为N 的子队列 按FCFS选择子队列。队列内又按SCAN算法。
3 3 5 2 |3 3 3 2| 3 3 2 3| 3 4 4 5| 2 3 ….2 3
处理子队列过程中产生的新I/O再依次排队列。 N=1时，就是FCFS，N很大时就是SCAN。
◼F-SCAN N-Step-SCAN的简化：
请求队列只分为两个子队列 当前一个队列，按SCAN算法执行； 扫描期间新生成的组成一个队列，等待被扫描。